JP5416052B2 - Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method - Google Patents

Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method Download PDF

Info

Publication number
JP5416052B2
JP5416052B2 JP2010166232A JP2010166232A JP5416052B2 JP 5416052 B2 JP5416052 B2 JP 5416052B2 JP 2010166232 A JP2010166232 A JP 2010166232A JP 2010166232 A JP2010166232 A JP 2010166232A JP 5416052 B2 JP5416052 B2 JP 5416052B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
solid
sample holder
state nmr
nmr
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010166232A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012026886A (en
Inventor
宗弘 犬飼
泰斗 野田
和行 武田
清乃理 竹腰
敬 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Resonance Inc
Original Assignee
Jeol Resonance Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jeol Resonance Inc filed Critical Jeol Resonance Inc
Priority to JP2010166232A priority Critical patent/JP5416052B2/en
Publication of JP2012026886A publication Critical patent/JP2012026886A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5416052B2 publication Critical patent/JP5416052B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、ウェハなどディスク状固体試料の核磁気共鳴(NMR)スペクトルを測定する際に用いられる固体高分解能NMR装置、固体NMR装置用試料保持体、および固体NMR測定方法に関する。   The present invention relates to a solid high-resolution NMR apparatus, a sample holder for a solid NMR apparatus, and a solid NMR measurement method used when measuring a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum of a disk-shaped solid sample such as a wafer.

NMR装置は、スピン磁気モーメントを有する原子核に静磁場を印加し、該スピン磁気モーメントにラーモアの歳差運動を発生させて、そこに歳差運動と同じ周波数の高周波を照射して共鳴させることにより、該スピン磁気モーメントを有する原子核の信号を検出する分析装置である。   The NMR apparatus applies a static magnetic field to a nucleus having a spin magnetic moment, generates a Larmor precession in the spin magnetic moment, and irradiates and resonates with a high frequency of the same frequency as the precession. , An analyzer for detecting a signal of a nucleus having the spin magnetic moment.

NMRの測定対象となる試料には、溶液試料と固体試料の2種類がある。そのうち、溶液試料の場合は、きわめてシャープなNMRスペクトルが得られることが多いため、得られた高分解能NMRスペクトルを武器にして、化学物質の分子構造解析を行なうことが広く普及している。   There are two types of samples to be measured by NMR: solution samples and solid samples. Among them, in the case of a solution sample, an extremely sharp NMR spectrum is often obtained. Therefore, it is widely used to analyze a molecular structure of a chemical substance using the obtained high-resolution NMR spectrum as a weapon.

一方、固体状態の試料のNMRスペクトルには、双極子相互作用のような、溶液中では回転ブラウン運動で消去されている相互作用がそのまま現れるため、スペクトルの線幅が極端に広くなり、化学シフト項が覆い隠されてしまう。そのため、NMRスペクトルにおいて、測定分子の各部位のシグナルピークが分離できず、結果的に固体NMR法は、分子構造解析には不向きであると考えられていた。   On the other hand, in the NMR spectrum of a solid sample, interactions that are eliminated by rotational Brownian motion in solution, such as dipole interactions, appear as they are, resulting in an extremely wide spectrum linewidth and chemical shift. The term is obscured. For this reason, in the NMR spectrum, the signal peak of each part of the measurement molecule could not be separated, and as a result, the solid NMR method was considered unsuitable for molecular structure analysis.

この現象を克服し、シャープな固体NMRスペクトルを得る方法が、1958年にE.R.Andrewによって発見された。それは、試料管を静磁場B0の方向から約54.7°だけ傾けて高速回転させることにより、異方的な相互作用を取り除き、化学シフト項を取り出すことができるという原理であり、MAS(Magic Angle Spinning)法と呼ばれるものである。 A method for overcoming this phenomenon and obtaining a sharp solid state NMR spectrum was described in 1958 by E.I. R. Discovered by Andrew. The principle is that the sample tube is tilted by about 54.7 ° from the direction of the static magnetic field B 0 and rotated at a high speed to remove the anisotropic interaction and extract the chemical shift term. This is called the Magic Angle Spinning method.

固体NMR測定装置において、試料管の回転軸の角度を調整する機構のブロック図を図1に示す。図中1は、プローブ全体を示している。2は、サンプルを入れる試料管(ロータ)で、この試料管を3の空気軸受を備えた試料回転機構(ステータ)内に入れ、圧縮空気ないしは窒素ガスのような媒体を用い、試料管2を高速に回転させる。   FIG. 1 shows a block diagram of a mechanism for adjusting the angle of the rotation axis of the sample tube in the solid-state NMR measurement apparatus. In the figure, 1 indicates the entire probe. Reference numeral 2 denotes a sample tube (rotor) for storing a sample. The sample tube is placed in a sample rotation mechanism (stator) having an air bearing 3 and a sample tube 2 is used by using a medium such as compressed air or nitrogen gas. Rotate at high speed.

4は、ステータ3の角度を可変させるための、例えば歯車などの可動機構である。5は、可動機構4に接続され、可動機構4を外部から操作するための、例えばシャフトである。6は、シャフト5に接続され、実際にマジック角調整する際に人間がアクセスするつまみである。   4 is a movable mechanism such as a gear for changing the angle of the stator 3. Reference numeral 5 denotes, for example, a shaft that is connected to the movable mechanism 4 and operates the movable mechanism 4 from the outside. A knob 6 is connected to the shaft 5 and is accessed by a human when the magic angle is actually adjusted.

静磁場B0に対してマジック角(54.7°)を軸として試料管を回転させることにより、化学シフトの異方性を消去し、NMRスペクトルの線幅を狭くすることが可能になるため、マジック角調整を行なうことが重要な方法となっている。 By rotating the sample tube around the magic angle (54.7 °) with respect to the static magnetic field B 0 , the chemical shift anisotropy can be eliminated and the line width of the NMR spectrum can be narrowed. It is important to adjust the magic angle.

近年、半導体の成膜技術が発展した結果、ウェハ上の薄膜試料を固体NMR法で測定することにより、膜の物性を評価する試みが始まっている。その最も基本的な方法は、薄膜試料を基材から削り落として試料管に詰め、これを通常の固体NMR装置で測定するというものである(非特許文献1)。しかしながら、この方法では、膜に手を加える結果となるため、得られるデータの信頼性に疑問を生じる結果となりやすい。   In recent years, as a result of the development of semiconductor film formation techniques, attempts have been started to evaluate film physical properties by measuring a thin film sample on a wafer by a solid-state NMR method. The most basic method is that a thin film sample is scraped off from a substrate and packed in a sample tube, and this is measured with a normal solid-state NMR apparatus (Non-patent Document 1). However, this method tends to result in a question of the reliability of the data obtained because it results in the film being modified.

そこで、半導体ウェハなどの薄膜試料を破壊せずに固体高分解能NMR測定を行なえるような特殊な固体NMR装置が提案された(特許文献1)。この技術は本発明の基礎となる重要技術であるので、図面を用いて簡単に説明しておく。   Therefore, a special solid-state NMR apparatus has been proposed that can perform solid-state high-resolution NMR measurement without destroying a thin film sample such as a semiconductor wafer (Patent Document 1). Since this technique is an important technique on which the present invention is based, it will be briefly described with reference to the drawings.

図2は、公開実用新案昭和62−79151号に開示されたウェハ測定用固体高分解能NMR装置である。図において、磁石11が発生する静磁場H0中には、静磁場に対して約35.3°傾斜された試料保持面を持つ試料保持台12が配置され、この試料保持台上には、同じく円板状の試料13が載置される。 FIG. 2 shows a solid-state high-resolution NMR apparatus for wafer measurement disclosed in the open utility model No. 62-79151. In the figure, in the static magnetic field H 0 generated by the magnet 11, a sample holding table 12 having a sample holding surface inclined by about 35.3 ° with respect to the static magnetic field is disposed. Similarly, a disk-shaped sample 13 is placed.

14は試料保持台に取り付けられた回転軸で、コンプレッサ15から加圧空気が送られる空気軸受16によって支持される。この空気軸受の端部には、軸14の周面に設けた複数の溝17にコンプレッサ18からの加圧空気を吹き付けることにより軸に回転力を与えるノズル19が設けられている。そのため、試料保持台は、静磁場に対する約35.3°の傾斜角度を保ったまま、高速回転される。   Reference numeral 14 denotes a rotating shaft attached to the sample holder, and is supported by an air bearing 16 to which pressurized air is sent from the compressor 15. At the end of the air bearing, there is provided a nozzle 19 that applies rotational force to the shaft by blowing pressurized air from the compressor 18 to a plurality of grooves 17 provided on the peripheral surface of the shaft 14. Therefore, the sample holder is rotated at high speed while maintaining an inclination angle of about 35.3 ° with respect to the static magnetic field.

このようにして、保持台とともに高速回転される試料13の回転中心部分には、アーム20の先端に取り付けられた送受信コイル21が極めて小さな距離を置いて近接配置される。また22は、アーム20が回動可能に取り付けられる基台、23は、送受信コイル21へ観測パルスを供給するための送信回路、24は、送受信コイル21に誘起される共鳴信号を取り出すための受信回路、25は、取り出された共鳴信号を処理するコンピュータである。   In this way, the transmission / reception coil 21 attached to the tip of the arm 20 is disposed in close proximity to the center of rotation of the sample 13 that rotates at a high speed together with the holding table. Reference numeral 22 denotes a base on which the arm 20 is rotatably mounted, 23 is a transmission circuit for supplying an observation pulse to the transmission / reception coil 21, and 24 is a reception for taking out a resonance signal induced in the transmission / reception coil 21. The circuit 25 is a computer that processes the extracted resonance signal.

このような構成において、試料13は静磁場に対して約35.3°傾斜した面上で回転されるため、その回転の軸は静磁場に対しては約54.7°傾斜し、マジック角に設定されることになる。   In such a configuration, since the sample 13 is rotated on a plane inclined by about 35.3 ° with respect to the static magnetic field, the axis of rotation is inclined by about 54.7 ° with respect to the static magnetic field, and the magic angle. Will be set to.

そして、試料表面の回転中心部分に近接配置される送受信コイル21へ送信回路23から観測パルス(パルス列)を送って試料に照射し、照射後、送受信コイル21に誘起される共鳴信号を受信回路24から取り出せば、この試料表面の回転中心部分についてNMR測定を行なうことができる。   Then, an observation pulse (pulse train) is transmitted from the transmission circuit 23 to the transmission / reception coil 21 arranged close to the rotation center portion of the sample surface to irradiate the sample, and after irradiation, a resonance signal induced in the transmission / reception coil 21 is received by the reception circuit 24. If it is taken out from the above, NMR measurement can be performed on the center of rotation of the sample surface.

尚、回転する試料表面に沿って送受信コイル21を移動させれば、回転中心から適宜な半径の円周に沿った環状の領域について、NMR測定を行なうことができる。   If the transmitting / receiving coil 21 is moved along the rotating sample surface, NMR measurement can be performed on an annular region along the circumference of an appropriate radius from the center of rotation.

実開昭62−79151号Japanese Utility Model Sho 62-79151

Yasuto Noda et al., 7Li Microcoil MAS NMR Application to Cathode Materials for Thin-film Lithium Ion Batteries, 51st ENC (2010).Yasuto Noda et al., 7Li Microcoil MAS NMR Application to Cathode Materials for Thin-film Lithium Ion Batteries, 51st ENC (2010).

従来の基板表面薄膜の固体NMR測定法のうち、最も一般的な方法として、薄膜試料を基材から削り落として試料管に詰めると、薄膜形状のまま測定できないため、物質や複合材料が薄膜あるいは積層膜としての存在形態を取ることによって得られる興味ある物性が失われるという問題があった。   Of the conventional methods for solid-state NMR measurement of thin film on the surface of a substrate, the most common method is that if a thin film sample is scraped off from a substrate and packed in a sample tube, it cannot be measured in the form of a thin film. There was a problem that the interesting physical properties obtained by taking the existence form as a laminated film were lost.

一方、特許文献1の構成は、本発明に類似している。しかしながら、特許文献1は、実現可能性を示すためのデータ(得られたNMRスペクトル、試料の量、基板の大きさ、試料回転速度などの情報)は皆無で、(少なくとも10kHz以上の回転速度を実施することを前提とした)現代の固体高分解能NMR測定法に必要な構成要件を示し得ていない。実際、このような装置で薄膜試料を測定した前例は一切無い。   On the other hand, the configuration of Patent Document 1 is similar to the present invention. However, Patent Document 1 has no data (information such as the obtained NMR spectrum, the amount of the sample, the size of the substrate, and the sample rotation speed) to show feasibility, and has a rotation speed of at least 10 kHz or more. It does not show the necessary building blocks for modern solid-state high-resolution NMR measurements (assuming to be implemented). In fact, there is no precedent for measuring thin film samples with such an apparatus.

なにより、特許文献1には致命的な欠陥がある。すなわち、特許文献1のNMR送受信コイルはNMR送受信コイルの内側の部分しか測定できず、またNMR送受信コイルが回転中心以外の位置に配置されると測定領域が環状になり、正しい高分解能NMRスペクトルを得る事ができない。試料の量、基板の大きさ、NMR送受信コイルのサイズに関して特許文献1に示された図からロータ径とNMR送受信コイルのサイズが同じくらいであると推測すると(一般的に、NMRの信号強度は試料に量に比例するため、試料が薄く、また表面積もロータ径と同じぐらいであることを考慮に入れた上で)、試料の量が非常に少なくなるため、信号強度は非常に小さいと推測される。   Above all, Patent Document 1 has a fatal defect. That is, the NMR transmission / reception coil of Patent Document 1 can measure only the inner part of the NMR transmission / reception coil, and when the NMR transmission / reception coil is arranged at a position other than the center of rotation, the measurement region becomes annular, and a correct high-resolution NMR spectrum is obtained. I can't get it. If the amount of the sample, the size of the substrate, and the size of the NMR transmitter / receiver coil are estimated from the diagram shown in Patent Document 1, it is assumed that the rotor diameter and the size of the NMR transmitter / receiver coil are approximately the same (generally, the NMR signal intensity is (In consideration of the fact that the sample is thin and the surface area is about the same as the rotor diameter, because the sample is proportional to the amount), the signal strength is estimated to be very small because the amount of sample is very small Is done.

また特許文献1の構成は、アームなどを用いた特殊なNMRプローブ、回転が可能である特殊な試料保持台が必要としている。そのため、汎用性に富んでいるとは考えづらい。加えて試料保持台の剛性・バランスに関する言及がほとんどない。試料回転機構には、微妙な機械的バランスによって「振れ回り」が生じることがあり、試料回転を妨げることがよくある。   The configuration of Patent Document 1 requires a special NMR probe using an arm or the like and a special sample holder that can rotate. Therefore, it is difficult to think that it is versatile. In addition, there is almost no mention of the rigidity and balance of the sample holder. In the sample rotation mechanism, “swinging” may occur due to a delicate mechanical balance, which often hinders sample rotation.

本発明の目的は、上述した点に鑑み、通常の試料管に入らない大きな円盤状試料をそのままの状態で測定可能な固体高分解能NMR装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a solid-state high-resolution NMR apparatus capable of measuring a large disk-shaped sample that does not enter a normal sample tube as it is in view of the above points.

これは、従来のNMR試料管モジュールにおいて利用されるロータの末端部に薄膜試料設置用の「試料ホルダ」を設置する、非常に簡素な構成で可能になる。さらに、この回転する薄膜試料に高周波磁場を照射するため、その同調・整合のための高周波回路基板上に設置された表面コイルを、薄膜試料に近接させることによって、高周波パルスの照射およびNMR信号の観測・検出が可能になる。また、表面コイルの形状的利点として、中心の空間を通じて、薄膜の表面に垂直な方向から光レーザなどを照射することができる。この利点を生かして、薄膜の物理的性質に変化を与える外場と組み合わせることにより、薄膜の物性に関る分子構造情報を取得する実験システムを構築することができる。   This is possible with a very simple configuration in which a “sample holder” for installing a thin film sample is installed at the end of a rotor used in a conventional NMR sample tube module. Furthermore, in order to irradiate the rotating thin film sample with a high frequency magnetic field, a surface coil placed on the high frequency circuit board for tuning and matching is brought close to the thin film sample, thereby irradiating a high frequency pulse and an NMR signal. Observation and detection are possible. Further, as a shape advantage of the surface coil, an optical laser or the like can be irradiated from a direction perpendicular to the surface of the thin film through the central space. Taking advantage of this advantage, it is possible to construct an experimental system for acquiring molecular structure information relating to the physical properties of the thin film by combining with an external field that changes the physical properties of the thin film.

この目的を達成するため、本発明にかかる固体NMR装置は、円筒状の形状を有し試料を保持したロータを、静磁場内に配置され空気軸受を備えたステータ内に配置し、該ロータを静磁場に対しマジック角傾斜した軸の周りに高速回転させつつ観測用高周波パルスを照射コイルから試料に照射して固体NMRスペクトルを取得する固体NMR装置であって、前記ロータの一端部には試料を保持する試料保持体を取り外し可能に取り付ける係止機構が設けられると共に、環状の前記照射コイルを保持した照射コイル保持体が、前記ロータの一端部に取り付けられた前記試料保持体に該照射コイルが前記軸を中心として対面するように前記ステータに取り外し可能に取り付けられるように構成されていることを特徴としている。   In order to achieve this object, a solid-state NMR apparatus according to the present invention includes a rotor having a cylindrical shape and holding a sample, disposed in a stator having an air bearing and disposed in a static magnetic field. A solid-state NMR apparatus for obtaining a solid-state NMR spectrum by irradiating a sample with an observation high-frequency pulse from an irradiation coil while rotating around an axis inclined at a magic angle with respect to a static magnetic field. A holding mechanism for removably attaching a sample holder for holding the coil is provided, and an irradiation coil holder for holding the annular irradiation coil is attached to the sample holder attached to one end of the rotor. Is configured to be detachably attached to the stator so as to face each other about the shaft.

また、前記試料保持体は、円盤状でその円盤の表面に試料が取り付けられる又は円盤の内部空洞に試料が収容される試料保持部と、該円盤裏面の中心部に設けられる支柱部とからなり、該支柱部を介して前記係止機構により前記ロータの一端部に取り付けられることを特徴としている。   In addition, the sample holder is a disk-like shape, and includes a sample holding part in which a sample is attached to the surface of the disk or a sample is accommodated in an internal cavity of the disk, and a column part provided at the center of the back surface of the disk. Further, it is characterized in that it is attached to one end of the rotor by the locking mechanism through the support column.

また、前記照射コイルの直径は、前記円盤状試料保持部とほぼ同径であることを特徴としている。   Further, the diameter of the irradiation coil is substantially the same as that of the disk-shaped sample holder.

また、前記円盤状試料保持部は、静磁場に対して約35.3°傾斜させた面上を高速回転することを特徴としている。   Further, the disk-shaped sample holder is characterized in that it rotates at high speed on a surface inclined by about 35.3 ° with respect to a static magnetic field.

また、前記円盤状試料保持部表面には、薄膜試料が設けられていることを特徴としている。   In addition, a thin film sample is provided on the surface of the disk-shaped sample holder.

また、前記円盤状試料保持部の内部空洞には、粉末状試料が装填されることを特徴としている。   In addition, a powder sample is loaded into the internal cavity of the disk-shaped sample holding unit.

また、本発明にかかる試料保持体は、前記固体NMR装置に用いられる試料保持体であって、該試料保持体は、円盤状でその円盤の表面に試料が取り付けられる又は円盤の内部空洞に試料が収容される試料保持部と、該円盤裏面の中心部に設けられる支柱部とからなり、該支柱部を介して前記係止機構により前記ロータの一端部に取り付けられることを特徴とする固体NMR装置用試料保持体であることを特徴としている。   The sample holder according to the present invention is a sample holder used in the solid-state NMR apparatus, and the sample holder is a disc-like shape, and the sample is attached to the surface of the disc or the sample is placed in the internal cavity of the disc. A solid-state NMR comprising: a sample holding portion in which the material is contained; and a support portion provided at the center of the back surface of the disk, and attached to one end of the rotor by the locking mechanism via the support portion. It is a sample holder for an apparatus.

また、本発明にかかる固体NMR測定方法は、前記固体NMR装置を用いて固体NMRスペクトルを測定することを特徴としている。   The solid-state NMR measurement method according to the present invention is characterized by measuring a solid-state NMR spectrum using the solid-state NMR apparatus.

また、前記固体NMRスペクトル測定時に、試料保持体に保持された試料にレーザ光照射、マイクロ波照射、熱線、温風または冷風の照射、ワイヤレス給電コイルによる給電の少なくとも1つを行なうことを特徴としている。   Further, at the time of the solid NMR spectrum measurement, at least one of laser beam irradiation, microwave irradiation, heat ray, hot or cold air irradiation, and power feeding by a wireless power feeding coil is performed on the sample held by the sample holder. Yes.

本発明の固体NMR装置によれば、円筒状の形状を有し試料を保持したロータを、静磁場内に配置され空気軸受を備えたステータ内に配置し、該ロータを静磁場に対しマジック角傾斜した軸の周りに高速回転させつつ観測用高周波パルスを照射コイルから試料に照射して固体NMRスペクトルを取得する固体NMR装置であって、前記ロータの一端部には試料を保持する試料保持体を取り外し可能に取り付ける係止機構が設けられると共に、環状の前記照射コイルを保持した照射コイル保持体が、前記ロータの一端部に取り付けられた前記試料保持体に該照射コイルが前記軸を中心として対面するように前記ステータに取り外し可能に取り付けられるように構成されているので、通常の試料管に入らない大きな円盤状試料をそのままの状態で測定可能な固体NMR装置を提供することが可能になった。   According to the solid state NMR apparatus of the present invention, a rotor having a cylindrical shape and holding a sample is disposed in a stator that is disposed in a static magnetic field and provided with an air bearing, and the rotor has a magic angle with respect to the static magnetic field. A solid-state NMR apparatus for obtaining a solid-state NMR spectrum by irradiating a sample with an observation high-frequency pulse from an irradiation coil while rotating around an inclined axis at a high speed, and a sample holder for holding a sample at one end of the rotor And an irradiation coil holder that holds the annular irradiation coil is attached to the sample holder attached to one end of the rotor, and the irradiation coil is centered on the axis. Since it is configured to be detachably attached to the stator so as to face each other, a large disk-shaped sample that does not enter a normal sample tube can be left as it is. It has become possible to provide a constant possible solid-state NMR device.

また本発明の固体NMR測定方法によれば、前記固体NMR装置を用いて固体NMRスペクトルを測定するので、通常の試料管に入らない大きな円盤状試料をそのままの状態で測定可能な固体NMR測定方法を提供することが可能になった。   Further, according to the solid NMR measurement method of the present invention, since the solid NMR spectrum is measured using the solid NMR apparatus, a solid NMR measurement method capable of measuring a large disk-shaped sample that does not enter a normal sample tube as it is. It became possible to provide.

従来の固体NMR装置を示す図である。It is a figure which shows the conventional solid state NMR apparatus. 従来のウェハ測定用固体NMR装置を示す図である。It is a figure which shows the conventional solid-state NMR apparatus for wafer measurement. 本発明にかかる固体NMR測定用試料ホルダの一実施例である。It is one Example of the sample holder for solid-state NMR measurement concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定用検出コイルの一実施例である。It is one Example of the detection coil for solid-state NMR measurement concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の一実施例である。It is one Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR装置のブロック図である。It is a block diagram of the solid-state NMR apparatus concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR装置で試料を実測した例である。It is the example which measured the sample with the solid-state NMR apparatus concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定用試料ホルダの別の実施例である。It is another Example of the sample holder for solid-state NMR measurement concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR測定部の別の実施例である。It is another Example of the solid-state NMR measurement part concerning this invention. 本発明にかかる固体NMR装置で試料を実測した例である。It is the example which measured the sample with the solid-state NMR apparatus concerning this invention.

本発明は、1枚の薄膜試料を基材から剥離せずに薄膜形状のままで高感度に固体高分解能NMR測定を行なうことを目的としている。   An object of the present invention is to perform solid-state high-resolution NMR measurement with high sensitivity in the form of a thin film without peeling off one thin film sample from a substrate.

従来の技術では、回転機構と合体した試料回転台を擁する特殊な装置を必要とした。これに対して、本発明は従来のNMR試料管モジュールにおいて利用されるロータの試料孔に薄膜試料設置用の「試料ホルダ」の回転用の軸を嵌め込んで、アタッチメントとして設置する。その結果、非常に簡素な構成で目的達成が可能になる。   The conventional technique requires a special device having a sample turntable combined with a rotation mechanism. On the other hand, in the present invention, a rotating shaft of a “sample holder” for installing a thin film sample is fitted into a sample hole of a rotor used in a conventional NMR sample tube module and installed as an attachment. As a result, the object can be achieved with a very simple configuration.

さらに、この回転する薄膜試料に高周波磁場を照射するため、その同調・整合のための高周波回路基板上に設置された表面コイルを、薄膜試料に近接させることによって、NMR信号のS/N比を最適化することができ、高周波パルスの照射およびNMR信号の観測・検出が可能になる。   Further, in order to irradiate the rotating thin film sample with a high frequency magnetic field, the S / N ratio of the NMR signal is reduced by bringing a surface coil placed on the high frequency circuit board for tuning and matching close to the thin film sample. It can be optimized, and irradiation with a high-frequency pulse and observation / detection of an NMR signal become possible.

現代の固体高分解能NMR法では、試料回転は10kHz(600000rpm)を越える速さを要求される。そこでは、わずかな重心のずれによっても試料管の回転数が低下することがしばしばある。そこで、試料管の設計においては、その剛性(密度・長さ・半径・肉厚・同心度)の高さが性能を決める上で非常に重要とされる。   In modern solid-state high-resolution NMR methods, sample rotation is required to be faster than 10 kHz (600,000 rpm). In this case, the rotational speed of the sample tube often decreases even by a slight deviation in the center of gravity. Therefore, in the design of the sample tube, the high rigidity (density, length, radius, wall thickness, concentricity) is very important in determining the performance.

したがって、試料管の上に何かを付けて試料回転を行なう手法自体、通常の測定法としての範疇の外にあることを強調したい。我々は、試料回転速度が上がらない理由は、微小試料管(ガラスキャピラリ)の剛性が低い(ガラスキャピラリのL/D比(長さ対直径の比率)が大きいことに由来する)ために、振れ回り運動を起こし、試料回転を妨げていると考えた。   Therefore, I would like to emphasize that the method of rotating the sample by attaching something on the sample tube itself is outside the scope of the normal measurement method. The reason why the sample rotation speed does not increase is that the micro sample tube (glass capillary) has low rigidity (because the L / D ratio (the ratio of length to diameter) of the glass capillary is large). It was thought that the rotation of the sample occurred and the sample rotation was hindered.

そこで、微小試料管よりサイズが大きい試料ホルダを取り付けても、それを支える円柱部分のL/D比が十分に大きく、試料ホルダが振れ回り運動をしなければ、高速試料回転を行なうことができるのではないかと考え実験を行い、その結果、直径4mmのロータ(試料管)に直径7mmの試料ホルダを取り付けて約13kHz、また直径12mmの試料ホルダを取り付けて約7kHzで回転させることに成功した。
[実施例1]
本発明を実施するために必要な構成は、「試料ホルダ」と「表面コイル」である。これらの構成を、従来の固体高分解能NMR装置のユニットに付属品として取り付けることによって、薄膜試料の固体高分解能NMRを実施することができる。
Therefore, even if a sample holder having a size larger than that of a micro sample tube is attached, if the L / D ratio of the cylindrical portion supporting the sample holder is sufficiently large and the sample holder does not swing, the sample can be rotated at high speed. As a result, we succeeded in attaching a sample holder with a diameter of 7 mm to a rotor (sample tube) with a diameter of 4 mm and rotating at a frequency of about 7 kHz with a sample holder with a diameter of 12 mm. .
[Example 1]
The components necessary for carrying out the present invention are a “sample holder” and a “surface coil”. By attaching these configurations as an accessory to a unit of a conventional solid high-resolution NMR apparatus, solid high-resolution NMR of a thin film sample can be performed.

(1)試料ホルダ
実際に作成した薄膜試料設置用試料ホルダ及び当該試料ホルダが取り付けられる固体NMR用試料管を図3に示す。図中、32は円盤状の試料ホルダで、下面中央に凸部33が設けられ、上面に試料ホルダの径に合わせて切り出された円形の試料31が、適宜な接着剤により貼り付けられている。この試料ホルダ32の凸部33を、市販の固体NMR用4mmφ試料管(ロータ)34の本来であれば試料を装填する凹部35に嵌め込んで係止し、両者を取り外し可能に一体化させる様子が図示されている。尚、試料管34の上端にキャップを被せるように試料ホルダを嵌め合わせて取り外し可能に一体化しても良く、更に、両者を螺合により係止するようにすれば、嵌め込みよりも確実に一体化することができるなど、試料ホルダを試料管に取り付け一体化する係止方法には様々な変形が考えられる。
(1) Sample holder FIG. 3 shows an actually prepared sample holder for installing a thin film sample and a solid NMR sample tube to which the sample holder is attached. In the figure, reference numeral 32 denotes a disk-shaped sample holder, which is provided with a convex portion 33 at the center of the lower surface, and a circular sample 31 cut out in accordance with the diameter of the sample holder is attached to the upper surface with an appropriate adhesive. . The convex portion 33 of the sample holder 32 is fitted and locked into a concave portion 35 in which a sample is originally loaded for a commercially available solid NMR 4 mmφ sample tube (rotor) 34, and both are detachably integrated. Is shown. In addition, the sample holder may be fitted and detachably integrated so as to cover the upper end of the sample tube 34, and if both are locked by screwing, it is integrated more securely than fitting. Various modifications are conceivable for the locking method for attaching and integrating the sample holder to the sample tube.

実験試作品の形状寸法・材質は以下のとおり。   The shape and material of the experimental prototype are as follows.

・形状寸法:円・直径7mmφ 厚さ0.5mm〜2mm。   -Shape dimension: Circle-Diameter 7mmφ Thickness 0.5mm-2mm.

・材質:デルリン(登録商標)。   -Material: Delrin (registered trademark).

・その他特記事項:薄膜試料は、石英基板にアルミ薄膜を蒸着させたもので、これを瞬間接着剤(アロンアルファ(登録商標))で試料ホルダの上面に貼り付けた。試料ホルダの試料管34への固定は、試料管34の凹部35に試料ホルダの凸部33を挿入するだけの嵌め合いのみで固定される。   Other special notes: The thin film sample was a quartz substrate with an aluminum thin film deposited thereon, and was attached to the upper surface of the sample holder with an instantaneous adhesive (Aron Alpha (registered trademark)). The sample holder is fixed to the sample tube 34 only by fitting the sample holder 34 into the recess 35 of the sample tube 34.

実験では、11kHz までは薄膜試料を載せての試料回転が可能であった。それ以上の試料回転を行なうと、ホルダの材質たるデルリン(登録商標)が遠心力の影響で引き伸ばされ、基板に応力がかかって破壊された。ホルダの材質として、より固くて軽いもの(セラミックスが好ましい)を用いれば、回転速度をさらに向上でき、さらなる高分解能の実験条件をもたらすことができるであろう。   In the experiment, it was possible to rotate the sample with a thin film sample up to 11 kHz. When the sample was rotated further, Delrin (registered trademark), which is the material of the holder, was stretched by the influence of centrifugal force, and the substrate was stressed and destroyed. If the material of the holder is harder and lighter (preferably ceramics), the rotational speed can be further improved, and experimental conditions with higher resolution can be brought about.

金属アルミニウム薄膜を7テスラの磁場中において7.5kHzで高速回転させることにも成功した。これは金属薄膜の固体高分解能NMR測定が可能であることを示す。金属の固体高分解能NMRのみならず金属の腐食過程の逐次的な解析などの応用が見込める。   The metallic aluminum thin film was also successfully rotated at 7.5 kHz in a magnetic field of 7 Tesla. This shows that solid high-resolution NMR measurement of a metal thin film is possible. Applications such as sequential analysis of metal corrosion processes as well as solid high-resolution NMR of metals are expected.

(2)表面コイル
表面コイルは、銅線を同一平面上で円形に巻いた構成である。高周波磁場強度および高周波磁場均一性を高めるため、形状は円形であることが好ましいが、矩形でも使用可能である。実験試作品では、円形の回路基板の一面に上記表面コイルが取り付けられ、表面コイルの同調・整合を調整するための高周波回路が他の面に設けられている。
(2) Surface coil A surface coil is the structure which wound the copper wire circularly on the same plane. In order to enhance the high-frequency magnetic field strength and the high-frequency magnetic field uniformity, the shape is preferably circular, but a rectangular shape can also be used. In the experimental prototype, the surface coil is attached to one surface of a circular circuit board, and a high-frequency circuit for adjusting the tuning / matching of the surface coil is provided on the other surface.

図4に、表面コイル40を実装した回路基板41を示す。図4(a)は表面コイル40が取り付けられた面を示し、図4(b)が表面コイル40の両端子が接続され照射される高周波に対して同調・整合をとるための高周波回路38が配置される面を示す。回路基板41は、中心に貫通孔42が開けられ、周縁部に取付ねじを通すための4つの孔43が開けられている。表面コイル40は、前記貫通孔42を中心とするように基板41に取り付けられ、その両端は、基板41を貫通して、裏面で高周波回路38に接続される。39は、高周波回路38及び表面コイル40を外部回路と接続するためのコネクタである。実験に用いられた表面コイルの形状寸法は、直径7mm、線径0.5mm、2.5ターン、インダクタンス84.5nHで、Qは40(281.8MHz)であった。   FIG. 4 shows a circuit board 41 on which the surface coil 40 is mounted. FIG. 4A shows a surface on which the surface coil 40 is attached, and FIG. 4B shows a high-frequency circuit 38 for tuning and matching the high frequency irradiated with both terminals of the surface coil 40 connected. Indicates the surface to be placed. The circuit board 41 has a through hole 42 at the center and four holes 43 through which the mounting screws are passed. The surface coil 40 is attached to the substrate 41 so as to have the through hole 42 as the center, and both ends of the surface coil 40 penetrate the substrate 41 and are connected to the high-frequency circuit 38 on the back surface. Reference numeral 39 denotes a connector for connecting the high-frequency circuit 38 and the surface coil 40 to an external circuit. The shape and dimensions of the surface coil used in the experiment were a diameter of 7 mm, a wire diameter of 0.5 mm, 2.5 turns, an inductance of 84.5 nH, and a Q of 40 (281.8 MHz).

(3)上記表面コイルの対象試料に対する位置を調整するための部品構成。   (3) A component configuration for adjusting the position of the surface coil with respect to the target sample.

図5に、従来の固体高分解能NMR装置のユニットである空気軸受を備えたステータを有する試料回転モジュール44に対して本発明に係る試料ホルダ32と、表面コイル40を保持した回路基板41を取り付ける実装状態の概念図を示す。   In FIG. 5, a sample holder 32 according to the present invention and a circuit board 41 holding a surface coil 40 are attached to a sample rotation module 44 having a stator having an air bearing which is a unit of a conventional high-resolution NMR apparatus. The conceptual diagram of a mounting state is shown.

試料31を保持した試料ホルダ32が取り付けられた試料管34(図3参照)を、静磁場内に配置され、2本のサポート100に回転軸が静磁場に対してマジック角となるように固定された試料回転モジュール44内に挿入し、試料回転モジュール44から顔を出した試料31に表面コイル40が対面するように基板41を配置すると共に、ネジ45により直接試料回転モジュール44に固定する。表面コイル40が試料表面に近接して配置されることでNMRの測定を可能にしている。表面コイルと薄膜試料の間の距離は、基板41の固定を兼ねるネジ45によって調整される。   A sample tube 34 (see FIG. 3) to which a sample holder 32 holding a sample 31 is attached is disposed in a static magnetic field, and is fixed to the two supports 100 so that the rotation axis has a magic angle with respect to the static magnetic field. The substrate 41 is placed in the sample rotation module 44 so that the surface coil 40 faces the sample 31 facing the sample rotation module 44 and is directly fixed to the sample rotation module 44 with screws 45. The surface coil 40 is arranged close to the sample surface to enable NMR measurement. The distance between the surface coil and the thin film sample is adjusted by a screw 45 that also serves to fix the substrate 41.

尚、この実験試作品は市販の試料管を利用したもので、回転力を得るために高圧のガスが吹き付けられる「羽根」が試料管(ロータ)下部に装着されるため、上部への試料ホルダの取り付けは比較的スムーズであった。「羽根」がロータ上部に装着されている別の市販の試料管の場合も、「羽根」の中心に穴が開いているので、試料ホルダの取り付けを行なうことは可能である。   This experimental prototype uses a commercially available sample tube, and a “blade” to which high-pressure gas is blown to obtain rotational force is attached to the lower part of the sample tube (rotor), so the sample holder on the upper side The installation of was relatively smooth. In the case of another commercially available sample tube in which the “blade” is mounted on the upper portion of the rotor, the hole is opened in the center of the “blade”, so that the sample holder can be attached.

測定は、通常の固体高分解能NMRと同様に行うことが可能である。すなわち、制御コンピュータ、送信器、受信器を一体化した分光計システムと、電力増幅器、デュプレクサ、試料に高周波パルスを照射するための電気回路を含み、試料を磁場に据え置くためのNMRプローブ、固体粉末(ここでは薄膜)試料を高速で回転させて高分解能スペクトルを得るための試料回転システム、NMR信号を増幅する前置増幅器からなる、標準的な固体高分解能NMRシステムを用いることを前提とする。   The measurement can be performed in the same manner as usual solid high-resolution NMR. That is, it includes a spectrometer system that integrates a control computer, transmitter, and receiver, a power amplifier, a duplexer, and an electrical circuit for irradiating a sample with a high-frequency pulse, and an NMR probe and solid powder for placing the sample in a magnetic field It is assumed that a standard solid-state high-resolution NMR system consisting of a sample rotation system for rotating a sample at high speed to obtain a high-resolution spectrum and a preamplifier for amplifying the NMR signal is used.

図6に、その固体高分解能NMRシステムの模式図を示す。高周波発振器101で発生された高周波は、位相制御器102及び振幅制御器103によって位相と振幅時間幅(パルス幅)を制御され、高周波パルスとして電力増幅器(パワーアンプ)104に送られる。   FIG. 6 shows a schematic diagram of the solid high-resolution NMR system. The high frequency generated by the high frequency oscillator 101 is controlled in phase and amplitude time width (pulse width) by the phase controller 102 and the amplitude controller 103 and sent to the power amplifier 104 as a high frequency pulse.

電力増幅器104でNMR信号を励起するために必要な電力にまで増幅された高周波パルスは、デュプレクサ105を介してNMRプローブ106に送られ、NMRプローブ106内に置かれた試料回転システム内の図示しない照射・検出コイルから被測定試料に照射される。   The high-frequency pulse amplified to the power necessary to excite the NMR signal by the power amplifier 104 is sent to the NMR probe 106 via the duplexer 105 and is not shown in the sample rotation system placed in the NMR probe 106. The sample to be measured is irradiated from the irradiation / detection coil.

高周波パルス照射後、被測定試料が発生する微弱なNMR信号は、前記照射・検出コイルにより検出され、デュプレクサ105を介して前置増幅器(プリアンプ)107に送られ、受信器108で取り扱い可能な信号強度にまで増幅される。   A weak NMR signal generated by the sample to be measured after the high-frequency pulse irradiation is detected by the irradiation / detection coil, sent to the preamplifier (preamplifier) 107 via the duplexer 105, and a signal that can be handled by the receiver 108. Amplified to intensity.

受信器108は、前置増幅器107で増幅された高周波のNMR信号を、デジタル信号に変換可能なオーディオ周波数に周波数変換し、同時に振幅の制御を行なう。受信器108でオーディオ周波数に周波数変換されたNMR信号は、アナログ−デジタルデータ変換器(A/D変換器)109によってデジタル信号に変換され、制御コンピュータ110に送られる。   The receiver 108 converts the high-frequency NMR signal amplified by the preamplifier 107 to an audio frequency that can be converted into a digital signal, and simultaneously controls the amplitude. The NMR signal frequency-converted to the audio frequency by the receiver 108 is converted to a digital signal by an analog-digital data converter (A / D converter) 109 and sent to the control computer 110.

制御コンピュータ110は、位相制御器102及び振幅制御器103を制御しているのみならず、NMRプローブ106内の試料回転システム111をも、マジック角回転(MAS)コントローラ112を介して制御する。   The control computer 110 controls not only the phase controller 102 and the amplitude controller 103 but also the sample rotation system 111 in the NMR probe 106 via a magic angle rotation (MAS) controller 112.

図7に、実際に本案装置を用いて測定した固体高分解能NMRスペクトルを示す。これは、薄膜試料固体高分解能NMR測定法による金属アルミニウム薄膜の27Al MAS−NMRスペクトルである。スピニング速度は7.4kHz、 搬送周波数78MHz、 積算時間は約12時間であった。
[実施例2]
本発明は、図8に示すように、光と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。機能性物質の光誘起を起こしながらNMR実験を実施することや全く異なるエネルギー領域の光を利用した分光との組み合わせができる。
FIG. 7 shows a solid high-resolution NMR spectrum actually measured using the proposed apparatus. This is a 27 Al MAS-NMR spectrum of a metal aluminum thin film by a thin film sample solid high resolution NMR measurement method. The spinning speed was 7.4 kHz, the carrier frequency was 78 MHz, and the integration time was about 12 hours.
[Example 2]
As shown in FIG. 8, the present invention can also be applied to solid state NMR measurement combined with light. It is possible to perform NMR experiments while photo-inducing functional substances and to combine with spectroscopy using light in a completely different energy region.

(1)構成
試料ホルダ32が取り付けられた試料管34の試料回転モジュール44内への挿入及び試料回転モジュール44への基板41の取り付けは、図5の例と同様である。
(1) Configuration Insertion of the sample tube 34 to which the sample holder 32 is attached into the sample rotation module 44 and attachment of the substrate 41 to the sample rotation module 44 are the same as in the example of FIG.

図8に示すように、試料ホルダ上に、試料回転軸の方向から光ファイバー、反射板、コリメータ等の導光路システムによって、薄膜試料に光を照射する。光ファイバー46と試料ホルダ32との間に介在する基板41は、表面コイルの中心部分に貫通孔42を有し、導体などは存在しないので、光を遮ることはない。従って、この貫通孔42を介して光を照射すれば良い。   As shown in FIG. 8, the thin film sample is irradiated with light on the sample holder from the direction of the sample rotation axis by a light guide system such as an optical fiber, a reflector, and a collimator. The substrate 41 interposed between the optical fiber 46 and the sample holder 32 has a through hole 42 in the center portion of the surface coil and there is no conductor or the like, and therefore does not block light. Accordingly, light may be irradiated through the through hole 42.

粉末試料の場合には、図9に示す石英などで作られた光を通す透明な試料ホルダ51を用いることが可能である。この試料ホルダ51は、先端部に回転軸に直交する扁平な円筒状の試料空間52を備えている。この試料空間に粉末試料を詰め、試料管に差し込み固定し、試料ホルダを高速で回転させることにより、粉末試料を測定することが可能である。   In the case of a powder sample, it is possible to use a transparent sample holder 51 that transmits light made of quartz or the like shown in FIG. The sample holder 51 includes a flat cylindrical sample space 52 orthogonal to the rotation axis at the tip. It is possible to measure the powder sample by filling the sample space with the powder sample, inserting and fixing it in the sample tube, and rotating the sample holder at high speed.

(2)動作
NMRシステムと同期した光チョップ(光のオン・オフ)で転移した構造を、表面コイルで検出する。光のオン・オフで動的な光誘起相転移する新材料の分析に有用である。レジスト材料など光に作用する物質などの分析にも有用である。従来の装置では、効率良く試料に光を当てながら試料を高速回転することは困難であった。本発明は試料の形状が薄く、また表面積が広いため、効率良く光を当てる事が可能となる。また試料を高速回転することも可能である。
[実施例3]
本発明は、図10に示すようにμ波と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。
(2) Operation The structure transferred by the optical chop (light on / off) synchronized with the NMR system is detected by the surface coil. It is useful for the analysis of new materials that undergo dynamic light-induced phase transition by turning light on and off. It is also useful for analyzing substances that act on light, such as resist materials. In the conventional apparatus, it is difficult to rotate the sample at a high speed while efficiently applying light to the sample. In the present invention, since the shape of the sample is thin and the surface area is large, it is possible to radiate light efficiently. It is also possible to rotate the sample at high speed.
[Example 3]
The present invention can also be applied to solid-state NMR measurement combined with μ wave as shown in FIG.

(1)構成
試料ホルダ32が取り付けられた試料管34の試料回転モジュール44内への挿入及び試料回転モジュール44への基板41の取り付けは、図5の例と同様である。
(1) Configuration Insertion of the sample tube 34 to which the sample holder 32 is attached into the sample rotation module 44 and attachment of the substrate 41 to the sample rotation module 44 are the same as in the example of FIG.

μ波導波管、μ波共振器などのマイクロ波〜ミリ波〜テラヘルツ波の導波路システム47によって、試料ホルダ32、基板41、試料回転モジュール44と空間的に干渉しない形式で、薄膜試料にμ波を照射する。基板41は、表面コイルの中心部分に貫通孔42を有し、導体などは存在しないので、直接μ波を遮ることはない。従って、この貫通孔42を介してμ波を照射すれば良い。   A micro wave to millimeter wave to terahertz wave waveguide system 47 such as a μ wave waveguide and a μ wave resonator is applied to a thin film sample in a form that does not spatially interfere with the sample holder 32, the substrate 41, and the sample rotating module 44. Irradiate waves. The substrate 41 has a through-hole 42 in the center portion of the surface coil, and there is no conductor or the like, so that the μ wave is not directly blocked. Therefore, it is only necessary to irradiate the μ wave through the through hole 42.

(2)動作
μ波照射下において、薄膜の物性変化に基づくNMRスペクトルの変化を直接的に測定する。DNP(動的核分極)などの効果によって、表面付近の感度向上を実施することができる。
[実施例4]
本発明は、図11に示すように、熱と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。直接、試料温度を変化させることで、従来のプローブでは実現困難な温度領域で温度変化NMR実験を実施することができる。
(2) Operation Under a microwave irradiation, a change in NMR spectrum based on a change in physical properties of the thin film is directly measured. Sensitivity improvement in the vicinity of the surface can be performed by an effect such as DNP (dynamic nuclear polarization).
[Example 4]
The present invention can also be applied to solid state NMR measurement combined with heat, as shown in FIG. By directly changing the sample temperature, a temperature change NMR experiment can be performed in a temperature range that is difficult to achieve with a conventional probe.

(1)構成
図11に示すように、試料ホルダ32の上に熱源48をおき、試料に対して熱線で直接加熱や冷却を行なう。この場合、ホルダの材質は熱伝導率が小さいものであることが望ましい。基板41は、表面コイルの中心部分に貫通孔42を有し、導体などは存在しないので、熱線を遮ることはない。従って、貫通孔を介して熱線を照射すれば良い。
(1) Configuration As shown in FIG. 11, a heat source 48 is placed on the sample holder 32, and the sample is directly heated and cooled with a hot wire. In this case, it is desirable that the material of the holder has a small thermal conductivity. The substrate 41 has a through-hole 42 in the center portion of the surface coil, and there is no conductor or the like, so it does not block heat rays. Therefore, the heat ray may be irradiated through the through hole.

(2)動作
温風やレーザーを試料に直接当てる事で加熱することが可能である。また液体窒素、液体ヘリウムを試料ホルダに吹き付けることで試料を冷却することが可能である。
(2) Operation It is possible to heat by directly applying hot air or laser to the sample. In addition, the sample can be cooled by spraying liquid nitrogen or liquid helium on the sample holder.

従来のMAS実験においては、試料を直接加熱・冷却した例はない。試料が露出している本発明によって初めて可能となる。そのため、今まで実験することが難しい温度領域のNMRスペクトルを得ることができるようになる。レーザー加熱法で試料をスポット的に1000℃以上に加熱した状況でのMASスペクトルを得ることができる。   In the conventional MAS experiment, there is no example in which the sample is directly heated and cooled. Only possible with the present invention where the sample is exposed. Therefore, it becomes possible to obtain an NMR spectrum in a temperature region that has been difficult to experiment until now. A MAS spectrum can be obtained when the sample is spot-heated to 1000 ° C. or higher by the laser heating method.

試料管・実験システムを全体的に加熱する必要がないので、高温条件における固体高分解能NMR測定を容易化することができ、特に無機NMRへの貢献が期待される。
[実施例5]
本発明は、図12に示すように、電池と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。薄膜固体リチウム二次電池などの試料に対する、充放電過程におけるNMR測定を実施することができる。
Since it is not necessary to heat the sample tube / experiment system as a whole, high-resolution solid-state NMR measurement under high temperature conditions can be facilitated, and in particular, contribution to inorganic NMR is expected.
[Example 5]
As shown in FIG. 12, the present invention can also be applied to solid state NMR measurement combined with a battery. NMR measurement in a charging / discharging process can be performed on a sample such as a thin film solid lithium secondary battery.

(1)構成
図12(a)に示すように、試料回転モジュール44内の試料管34が挿入される領域の周囲にワイヤレス給電用コイル49を設置すると共に、図12(b)に示すように、試料管34の本来であれば試料を収容する凹部35内にコイル49からの電磁波を受ける受電コイルLと受電コイルLに発生した交流電圧を直流電圧に変換するダイオードとコンデンサとからなるワイヤレス受電回路を設ける。そして、このワイヤレス受電回路と試料ホルダ32に取り付けた薄膜固体リチウム二次電池を電気配線により接続し、ワイヤレス受電回路から直流電圧を薄膜固体リチウム二次電池などの試料に供給して二次電池を充電する。ワイヤレス給電用コイル49は、必ずしも試料回転モジュール44内に配置する必要はなく、試料ホルダ32の周囲に配置しても良いし、基板41の上方に配置しても良い。このような場合には、受電コイルLはコイル49との結合がうまく取れるよう、試料ホルダ32内に配置されることが好ましい。コイル49が基板41の上方に配置される場合には、基板41に設けられた貫通孔42を介して試料ホルダに設けられた受電コイルに給電することになる。
(1) Configuration As shown in FIG. 12 (a), a wireless power feeding coil 49 is installed around a region where the sample tube 34 is inserted in the sample rotation module 44, and as shown in FIG. 12 (b). In the case of the sample tube 34, the wireless power reception comprising a power receiving coil L that receives electromagnetic waves from the coil 49 and a diode that converts the AC voltage generated in the power receiving coil L into a DC voltage and a capacitor in the recess 35 that accommodates the sample. Provide a circuit. Then, the wireless power receiving circuit and the thin film solid lithium secondary battery attached to the sample holder 32 are connected by electric wiring, and a DC voltage is supplied from the wireless power receiving circuit to a sample such as a thin film solid lithium secondary battery so that the secondary battery is Charge. The wireless power feeding coil 49 is not necessarily arranged in the sample rotating module 44, and may be arranged around the sample holder 32 or may be arranged above the substrate 41. In such a case, the power receiving coil L is preferably disposed in the sample holder 32 so that the coil 49 can be well coupled. When the coil 49 is disposed above the substrate 41, power is supplied to the power receiving coil provided in the sample holder through the through hole 42 provided in the substrate 41.

(2)動作
交流電源に接続されたワイヤレス給電用コイル49から、相互誘導により試料管内部に配置されたワイヤレス受電回路に直流電圧を発生させ、この直流電圧を試料ホルダの上に乗っている薄膜固体リチウム二次電池へ供給し充電する。
(2) Operation A thin film on which a DC voltage is generated from a wireless power feeding coil 49 connected to an AC power source in a wireless power receiving circuit disposed inside the sample tube by mutual induction, and this DC voltage is placed on the sample holder. Supply to and charge a solid lithium secondary battery.

充放電過程のin situ NMRは報告されているが、いずれも固体高分解能NMRに必須なマジック角回転を行なわない静止状態で測定されている。電池特性というマクロな性質を原子・分子というミクロな階層から理解するには、マジック角回転NMR、通称MAS−NMRが必要である。   In situ NMR of charge and discharge processes has been reported, but all have been measured in a static state without magic angle rotation, which is essential for solid high-resolution NMR. Magic angle rotation NMR, commonly known as MAS-NMR, is necessary to understand the macro properties of battery characteristics from the microscopic hierarchy of atoms and molecules.

NMRスペクトルは電池の効率に直接関係する物理的パラメータ(リチウムイオンの移動度や電気伝導性、酸化還元過程における陽イオンの原子価の変化や電子構造の変化)に極めて敏感である。さらに、NMRは元素を選択的に測定でき、電池動作に直接関与している元素の観察に使用可能である。NMRスペクトルは局所構造の小さな変化に鋭敏で、リチウムイオンの脱挿入に伴う構造の変化を非破壊に追跡することができる。   NMR spectra are extremely sensitive to physical parameters directly related to battery efficiency (mobility and electrical conductivity of lithium ions, changes in cation valence and electronic structure in the redox process). Furthermore, NMR can selectively measure elements and can be used to observe elements that are directly involved in battery operation. NMR spectra are sensitive to small changes in local structure and can follow non-destructively the structural changes associated with lithium ion deinsertion.

NMRの重要な特性として、NMR信号の積分強度が試料中の共鳴する核の数に比例するため、定量性があることが挙げられる。したがって、個々の相のNMRスペクトルが分離できれば、相対的に含まれる相の割合を定量的に推定することができる。以上のことから、リチウムイオン電池を作動させながら高分解能で測定することで、リチウムイオンの脱挿入に伴う局所構造や原子価・電子構造の変化を定量的に追跡し電池特性の劣化機構を研究できる。
[実施例6]
本発明は、図13に示すように、磁場勾配と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。非破壊的な薄膜のイメージングを行なうことができる。
An important characteristic of NMR is that the integrated intensity of the NMR signal is proportional to the number of nuclei that resonate in the sample, so that it is quantitative. Therefore, if the NMR spectrum of each phase can be separated, the proportion of the relatively contained phase can be estimated quantitatively. Based on the above, by conducting high-resolution measurements while operating a lithium-ion battery, we can quantitatively track changes in local structure, valence and electronic structure associated with lithium ion desorption, and study the deterioration mechanism of battery characteristics. it can.
[Example 6]
The present invention can also be applied to solid state NMR measurement combined with a magnetic field gradient, as shown in FIG. Non-destructive thin film imaging can be performed.

(1)構成
図示しないグラジエントコイルを基板41又は試料ホルダ32の周囲に配置することによって、図13に示すように、試料管の試料回転軸方向に対する勾配磁場を発生することにより、薄膜の深さに対する位置情報をNMRスペクトルに反映させることができる。
(1) Configuration By arranging a gradient coil (not shown) around the substrate 41 or the sample holder 32, as shown in FIG. 13, a gradient magnetic field with respect to the sample rotation axis direction of the sample tube is generated, thereby reducing the depth of the thin film. Can be reflected in the NMR spectrum.

(2)動作
グラジエントコイルに定電流を流した状態での一定勾配磁場下におけるNMRスペクトルの取得や、グラジエントコイルにパルス電流を流すことにより勾配パルス磁場による深さ方向のイメージング情報の取得が可能となる。
[実施例7]
本発明は、図14に示すように、電場と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。誘電体の固体高分解能NMR測定を実施することができる。
(2) Operation Acquisition of NMR spectra under a constant gradient magnetic field with a constant current flowing through the gradient coil, and acquisition of imaging information in the depth direction by the gradient pulse magnetic field by flowing a pulse current through the gradient coil Become.
[Example 7]
The present invention can also be applied to solid-state NMR measurement combined with an electric field, as shown in FIG. Solid state high resolution NMR measurements of the dielectric can be performed.

(1)構成
試料ホルダ32に誘電体試料31を取り付け、空間的に離した電極板61、62で挟む。電極板は基板41の表面コイル40が取り付けられている面と、試料回転モジュール44の表面(上面)に取り付ける。
(1) Configuration The dielectric sample 31 is attached to the sample holder 32 and sandwiched between electrode plates 61 and 62 that are spatially separated. The electrode plate is attached to the surface of the substrate 41 to which the surface coil 40 is attached and the surface (upper surface) of the sample rotation module 44.

(2)動作
電極板間の距離をネジで調節し、直流電源63で電極板間に電圧を印加した状態で、固体高分解能NMRを測定することにより、電場下における誘電体の固体高分解能NMRが可能となる。
[実施例8]
本発明は、図15に示すように、気相反応と組み合わせた固体NMR測定にも応用できる。多孔性薄膜材料の固体高分解能NMRを実施することができる。
(2) Operation Solid high-resolution NMR of a dielectric under an electric field is measured by adjusting the distance between the electrode plates with a screw and measuring solid high-resolution NMR with a voltage applied between the electrode plates with a DC power source 63. Is possible.
[Example 8]
As shown in FIG. 15, the present invention can also be applied to solid-state NMR measurement combined with a gas phase reaction. Solid high resolution NMR of porous thin film materials can be performed.

(1)構成
試料ホルダ32に試料31として多孔性薄膜材料を取り付けると共に、試料ホルダ32の周囲に、ガス送風システム65を配置し、試料表面にガスが吹き付けられるようにする。ガス送風システム65を基板41上方に配置し、貫通孔42を介して試料表面にガスを吹き付けるようにしても良い。
(1) Configuration A porous thin film material is attached to the sample holder 32 as the sample 31, and a gas blowing system 65 is disposed around the sample holder 32 so that gas is blown onto the sample surface. A gas blower system 65 may be disposed above the substrate 41 so that gas is blown onto the sample surface via the through hole 42.

(2)動作
試料に直接ガスを吹き付けることが可能となるため、試料に万遍なくガスを吸着させた状態で測定を行うことができる。ゼオライトや多孔性金属錯体のようなメタンや水素吸蔵材料として期待されている新材料の分析に有用である。
(2) Operation Since the gas can be directly blown onto the sample, the measurement can be performed with the gas uniformly adsorbed on the sample. It is useful for analysis of new materials expected as methane and hydrogen storage materials such as zeolite and porous metal complexes.

固体NMRのスペクトル測定に広く利用できる。従来、薄膜状の試料は、剥がして粉にする、薄膜を小片にするなどして従来型の円筒状ロータに詰めることにより測定しており、薄膜状態では測定出来ない、試料量が少なく、感度が低い等の問題があった。   It can be widely used for spectrum measurement of solid-state NMR. Conventionally, thin-film samples are measured by peeling them into powder, making thin films into small pieces, and packing them into conventional cylindrical rotors. There was a problem such as low.

それに対して、本発明は、ロータの先端に薄膜試料用ホルダを取り付けることにより、比較的多量の試料を用いて、かつ、薄膜状態を改変せずに高感度に測定することを可能とした。さらに、試料はロータの端に回転軸に対して垂直に保持されるため、測定中に試料にレーザー光やマイクロ波、テラヘルツ波や各種のガス等を照射することが可能となり、薄膜の構造変化や劣化機構など各種の反応をin situで観測することが可能となったことは、進歩性の大きな発明であると言える。   In contrast, according to the present invention, by attaching a thin film sample holder to the tip of the rotor, it is possible to measure with high sensitivity using a relatively large amount of sample and without changing the thin film state. Furthermore, since the sample is held perpendicular to the rotation axis at the end of the rotor, it is possible to irradiate the sample with laser light, microwaves, terahertz waves, various gases, etc. during measurement, and the structural changes of the thin film The fact that various reactions such as degradation and degradation mechanisms can be observed in situ can be said to be a highly inventive invention.

今回の発明により達成される効果を、基本的効果、応用的効果、産業的効果の三段階に分けて論ずる。   The effects achieved by the present invention will be discussed in three stages: basic effects, applied effects, and industrial effects.

(1)基本的効果:薄膜試料が一枚から高感度・高分解能で測定できること。   (1) Basic effect: A thin film sample can be measured with high sensitivity and high resolution from one sheet.

厚さ2μm、直径2.4mm の薄膜試料1枚を基材から剥離せず、4mmロータに詰めて従来機で測定する場合と、厚さ2μm、直径7mmの薄膜試料1枚を本発明で測定する場合を比較する。   One thin film sample with a thickness of 2 μm and a diameter of 2.4 mm is not peeled off from the base material, but is measured with a conventional machine after being packed in a 4 mm rotor, and one thin film sample with a thickness of 2 μm and a diameter of 7 mm is measured with the present invention. Compare the cases.

NMRのS/N比は、コイルの形状、試料の体積、NMRプローブのQ値、フィリングファクタなどが複雑に寄与してくるため、簡単な議論はできない。しかしフィリングファクタやNMRプローブのQ値が従来機と本発明でさほど差異がないため、試料の体積がS/N比に大きく寄与してくることが考えられる。   The S / N ratio of NMR cannot be simply discussed because the shape of the coil, the volume of the sample, the Q value of the NMR probe, the filling factor, etc. contribute complicatedly. However, since the filling factor and the Q value of the NMR probe are not so different from those of the conventional machine and the present invention, it is considered that the volume of the sample greatly contributes to the S / N ratio.

そのため大まかに見積もって、試料の体積比と同じ8.5倍のS/N比上昇が見込める。この場合、NMR信号を取得する時間は1/(8.5)2=1/72で済む。今回の試作品は薄膜試料の直径が7mmであったが、直径12mmの試料ホルダの回転にも成功している。この場合25倍のS/N比の上昇が見込め、実験時間は1/625で済む。これは26日間かかる実験が1時間でできることを意味する。 Therefore, roughly estimated, an S / N ratio increase of 8.5 times the same as the volume ratio of the sample can be expected. In this case, the time for acquiring the NMR signal is 1 / (8.5) 2 = 1/72. In this prototype, the diameter of the thin film sample was 7 mm, but the sample holder with a diameter of 12 mm was also successfully rotated. In this case, a 25-fold increase in S / N ratio can be expected, and the experiment time is 1/625. This means that an experiment that takes 26 days can be done in one hour.

もともと薄膜試料はサンプル量が非常に少ないため、固体NMR測定は非常に難しく、実験を行った例はほとんどない。本発明により薄さ2μmの金属アルミニウム薄膜の27Al MAS−NMR測定に成功した。厚さがnmオーダーの薄膜試料を観測することは、現地点では非常に時間が掛かるため難しいということが今回の実験データから分かった。しかし、今回作製したシステムは、感度や分解能の最適化は行っておらず、まだまだ改良の余地は十分にあると考えられる。 Originally, since the amount of sample of a thin film sample is very small, solid-state NMR measurement is very difficult, and there are almost no experiments. The present invention succeeded in 27 Al MAS-NMR measurement of a 2 μm thin metallic aluminum thin film. The experimental data show that it is difficult to observe a thin film sample with a thickness on the order of nm because it takes a very long time at the site. However, the system created this time has not been optimized for sensitivity and resolution, and there is still room for improvement.

また、試料を薄膜形状にすることによる、独自の構造情報が得られることは、学術的・産業的に極めて興味深い。図16に、今回の実験試作機で測定された(a)金属アルミニウムの薄膜試料の固体高分解能NMRスペクトルと、(b)バルク試料の通常の固体高分解能NMRスペクトルを示した。   In addition, it is extremely interesting from an academic and industrial viewpoint that unique structural information can be obtained by making a sample into a thin film shape. FIG. 16 shows (a) a solid high-resolution NMR spectrum of a metal aluminum thin film sample and (b) a normal solid high-resolution NMR spectrum of a bulk sample, which were measured by this experimental prototype.

(a)は、薄さ2μmの薄膜状金属アルミニウムの27Al−MAS−NMRをスピニング速度7.4kHz、搬送周波数78MHz、積算時間約12時間、プローブQ値70で測定した結果、(b)は、バルク状金属アルミニウムに、試料回転をスムーズに行なわせるためのKBrを混ぜた試料を測定した結果である。 (A) is the result of measuring 27 Al-MAS-NMR of thin-film metal aluminum having a thickness of 2 μm at a spinning speed of 7.4 kHz, a carrier frequency of 78 MHz, an integration time of about 12 hours, and a probe Q value of 70, (b) It is the result of having measured the sample which mixed KBr for performing sample rotation smoothly in bulk metal aluminum.

この2つのスペクトルは、共に金属アルミニウムの27Al核を観測しているが、明らかにスペクトルのサイドバンド・パターンが異なっており、これは試料を薄膜形状にすることによる電子状態の変化が、内部相互作用に影響し、それを反映してNMRスペクトルの劇的な変化が導かれたことを示すものである。 The two spectra, although both observed 27 Al nuclear metal aluminum, obviously have different sideband pattern of the spectrum, which change in electron state due to the sample into a thin film shape, the internal It shows that a dramatic change in the NMR spectrum was led by affecting and reflecting the interaction.

この実験例にも示されているように、本発明は、完全に非破壊的な薄膜試料のin situ 高分解能NMRを実現することによって、薄膜形状に由来する独自の分子構造情報を得ることを可能にする画期的な手法である。これは、試料の分析評価・品質保証・開発指針を与えるものであり、薄膜を対象とする産業全体に与えるインパクトは極めて大きいと考える。   As shown in this experimental example, the present invention provides unique molecular structure information derived from thin film shape by realizing in situ high resolution NMR of a completely non-destructive thin film sample. It is a revolutionary technique that makes it possible. This provides sample analysis and evaluation, quality assurance and development guidelines, and the impact on the entire industry for thin films is considered to be extremely large.

(2)応用的効果:回転機構と測定機構を空間的に分離することにより外場を印加できること。   (2) Applied effect: An external field can be applied by spatially separating the rotation mechanism and the measurement mechanism.

表面コイルの形状的利点として、中心の空間を通じて、薄膜の表面に垂直な方向から光レーザーなどを照射することができる。この利点を生かして、薄膜の物理的性質に変化を与える光、マイクロ波、電場、ガス噴射、レーザー加熱のような外場作用を試料に効率良く行なうことができる。   As a shape advantage of the surface coil, an optical laser or the like can be irradiated from a direction perpendicular to the surface of the thin film through a central space. Taking advantage of this advantage, an external field effect such as light, microwave, electric field, gas injection, and laser heating that changes the physical properties of the thin film can be efficiently performed on the sample.

たとえばレーザー加熱を行なう場合を考える。通常のNMRプローブだと試料の周りに樹脂で作られた試料回転モジュールがあるため、加熱できる温度は150℃くらいであった。ジルコニアで作られた高温MAS用の特殊プローブ(米国特許第5202633号)を用いれば、650℃以上のMAS実験が可能である。   For example, consider the case of laser heating. In the case of a normal NMR probe, there is a sample rotation module made of resin around the sample, and the temperature that can be heated was about 150 ° C. If a special probe for high temperature MAS (US Pat. No. 5,202,633) made of zirconia is used, a MAS experiment at 650 ° C. or higher is possible.

一方本発明の場合、試料の周りには試料回転モジュールはないため、試料の加熱は容易である。レーザー加熱を用いて局所的に加熱を行なえば、試料全体を一瞬で1000℃まで加熱することが可能である。   On the other hand, in the case of the present invention, since there is no sample rotation module around the sample, the sample can be easily heated. If heating is performed locally using laser heating, the entire sample can be heated to 1000 ° C. in an instant.

試料にマイクロ波とレーザーを照射することで、NMR感度が数万倍になる光励起三重項−動的核偏極と呼ばれる手法がある(K. Takeda, et al., J. Phys. Soc. Jpn., vol. 73, pp. 2313-2318)。本発明は試料が薄いため効率よく光レーザーを当てる事が出来る。そのため効率良く偏極実験を行なえると期待できる。   There is a technique called photoexcited triplet-dynamic nuclear polarization in which the sample is irradiated with microwaves and lasers to increase the NMR sensitivity by tens of thousands of times (K. Takeda, et al., J. Phys. Soc. Jpn , vol. 73, pp. 2313-2318). In the present invention, since the sample is thin, an optical laser can be applied efficiently. Therefore, it can be expected that polarization experiments can be performed efficiently.

このような外部作用を行ないながら試料の高速回転を行なうことで、外部作用の固体高分解能NMRが可能となる。また試料ホルダの形状を工夫することで、薄膜試料だけではなく粉末試料の外部作用の固体高分解能NMRも可能なる。   By performing high-speed rotation of the sample while performing such external action, solid-state high-resolution NMR of external action becomes possible. Further, by devising the shape of the sample holder, it is possible to perform solid-state high-resolution NMR of the external action of not only a thin film sample but also a powder sample.

(3)産業的効果:産業への活用(分野、製品、装置、方法など)。   (3) Industrial effects: Industrial use (fields, products, equipment, methods, etc.).

現在、薄膜リチウムイオン電池、薄膜太陽電池、有機ELなどの機能性を持つ先端薄膜デバイスの開発が盛んに行われている。薄膜デバイスは、基板に原子・分子を積層することで形成される薄膜材料から構成される。薄膜材料は基板も含んだ複合体であり、薄膜部分だけを取り出しても目的とする機能を発揮するわけではない。機能測定には本来その試料の目的とする状態、基板上の薄膜であることが不可欠である。そのためデバイスの開発では、最終的なデバイス状態にある薄膜材料とデバイス機能との関連の理解が強く求められている。   Currently, advanced thin-film devices having functionality such as thin-film lithium ion batteries, thin-film solar batteries, and organic EL are being actively developed. A thin film device is composed of a thin film material formed by stacking atoms and molecules on a substrate. The thin film material is a composite including the substrate, and even if only the thin film portion is taken out, the intended function is not exhibited. In order to measure the function, it is indispensable that the target state of the sample is a thin film on the substrate. Therefore, in device development, an understanding of the relationship between thin film materials in the final device state and device functions is strongly demanded.

薄膜試料の構造評価には電子線やX線などが用いられている。波長が短いため空間分解能が高いが、浸透距離が短いため試料を加工する必要性や真空状態で測定する必要性があり、加工により試料の状態が変わってしまったり真空下で蒸発してしまったりする可能性がある。また、散乱断面積が小さい軽元素や、周期構造を持たないアモルファスは測定に不向きである。   An electron beam, an X-ray, or the like is used for the structural evaluation of the thin film sample. Although the spatial resolution is high due to the short wavelength, there is a need to process the sample and measurement in a vacuum state due to the short permeation distance, and the sample state may change due to processing, or it may evaporate under vacuum. there's a possibility that. In addition, light elements having a small scattering cross section and amorphous materials having no periodic structure are not suitable for measurement.

NMRは電子線やX線では測定の困難なアモルファス材料や軽元素でも原子・分子レベルからきわめて高い情報をもたらす。また、電子線やX線などとは異なり周波数が低いラジオ波を用いるため、超伝導で浸透しない場合を除いてほぼ全ての薄膜材料が透明であり、試料を破壊することなくデバイス状態のまま測定可能である。   NMR provides extremely high information from the atomic and molecular level even for amorphous materials and light elements that are difficult to measure with electron beams and X-rays. Also, unlike electron beams and X-rays, radio waves with a low frequency are used, so almost all thin-film materials are transparent except when they do not penetrate due to superconductivity, and they are measured in the device state without destroying the sample. Is possible.

しかし、従来の手法では測定のためにわざわざ試料管の内径に合わせて薄膜試料を多数枚作製するか、大きな薄膜試料一枚の場合では、剥離ないし基板ごと粉砕し試料管に充填する必要があり、コスト高やNMRの長所である非破壊測定が生かせない点がある。試料管内径に合わせた試料一枚ではフィリングファクタが悪いため感度が落ち、測定不可能であるか、測定できたとしても長大な時間を要する。   However, in the conventional method, it is necessary to prepare many thin film samples according to the inner diameter of the sample tube for measurement, or in the case of one large thin film sample, it is necessary to peel or crush the whole substrate and fill the sample tube However, there is a point that the high cost and the non-destructive measurement which is an advantage of NMR cannot be utilized. A single sample matched to the inner diameter of the sample tube has a poor filling factor, so the sensitivity is low and measurement is impossible or takes a long time even if measurement is possible.

今回の発明では薄膜一枚でも10倍以上の感度を実現する。これは測定時間が100分の一に短縮されることを意味する。これはスループットの改善のみならず、これまで測定が困難であった、より情報が得られる多次元NMRの測定も可能とする。これにより、先端薄膜デバイスを破壊することなく測定することが可能となる。   In the present invention, even a single thin film realizes a sensitivity of 10 times or more. This means that the measurement time is reduced to 1/100. This not only improves the throughput, but also enables measurement of multi-dimensional NMR, which has been difficult to measure so far and can provide more information. Thereby, it becomes possible to measure without destroying the tip thin film device.

先端薄膜デバイスには、例えば、薄膜リチウムイオン電池が挙げられる。薄膜リチウムイオン電池の市場は2005年では試験段階であるが、2012年には100億ユニット・110億米ドル市場に達すると予測されており(“Nanotechnology and Thin Film Lithium and Lithium Ion Battery Market Opportunities, Strategies, and Forecasts, 2006 to 2012”, WinterGreen Research, Inc.)、さらなる特性向上にむけて評価技術が強く求められている。   Examples of the advanced thin film device include a thin film lithium ion battery. The market for thin-film lithium-ion batteries is in the testing phase in 2005, but is expected to reach 10 billion units and US $ 11 billion in 2012 (“Nanotechnology and Thin Film Lithium and Lithium Ion Battery Market Opportunities, Strategies , and Forecasts, 2006 to 2012 ”, WinterGreen Research, Inc.), there is a strong demand for evaluation technology to further improve characteristics.

二次電池は充放電を繰り返すと劣化していくが、その機構は明らかになっていない。従来の固体NMRでは、電池を充放電させて測定する場合は回転させずに低分解能で行っている。高分解能で測定するには、電池を破壊して構成材料を取り出すことが行われている。しかし、電池の劣化機構は局所的構造や相の変化であると考えられており、それらを定量的に解析するには高分解能で行なう必要があり。また、電池を破壊してしまうとそれ以上充放電サイクルが行なえないため、履歴現象である劣化を追跡するには非破壊で測定することが求められる。   Although secondary batteries deteriorate with repeated charge and discharge, the mechanism is not clear. In conventional solid-state NMR, when measuring by charging and discharging a battery, it is performed with low resolution without rotating. In order to measure with high resolution, the battery is destroyed and the constituent material is taken out. However, it is thought that the deterioration mechanism of the battery is a local structure or phase change, and it is necessary to carry out with high resolution in order to quantitatively analyze them. Further, if the battery is destroyed, no further charge / discharge cycles can be performed. Therefore, non-destructive measurement is required in order to track deterioration that is a history phenomenon.

本発明は薄膜リチウムイオン電池をデバイスの状態で高分解能に測定可能である。そのため、充放電させて高分解能で測定する、というサイクルを繰り返し行なうことにより電池の劣化を定量的に原子レベルで追跡する新しい手段となりうる。   The present invention can measure a thin film lithium ion battery in a device state with high resolution. Therefore, it is possible to provide a new means for quantitatively tracking the deterioration of the battery at the atomic level by repeating the cycle of charging and discharging and measuring with high resolution.

すでに産業化されている機能性薄膜デバイスとしてアモルファスシリコン太陽電池や有機ELがある。どちらもデバイスの状態で薄膜材料と機能との相関が求められており、本発明はその要望に資するものであると考えられる
また、試料が回転部分と試料部分を空間的に分離することにより、外部から様々な作用・操作を施すことが容易に行えるため、実際にデバイスが作動する環境にして測定することができる。レーザー加熱の場合、最も高効率な燃料電池である固体酸化物型燃料電池(SOFC)に使用されている酸化物電解質を、SOFCの作動温度である1000℃で固体高分解能NMRを行なうことにより欠陥を含めた構造を解析できる。
Examples of functional thin film devices that have already been industrialized include amorphous silicon solar cells and organic EL. In both cases, the correlation between the thin film material and the function is required in the state of the device, and the present invention is considered to contribute to the demand. Also, the sample spatially separates the rotating part and the sample part, Since various actions and operations can be easily performed from the outside, measurement can be performed in an environment where the device actually operates. In the case of laser heating, the oxide electrolyte used in the solid oxide fuel cell (SOFC), which is the most efficient fuel cell, is defective by performing solid-state high-resolution NMR at the operating temperature of SOFC of 1000 ° C. Can be analyzed.

固体電解質において欠陥の構造はイオン伝導度という物性に直接結びつき、材料開発・設計に指針を与えるため極めて重要な情報である。固体高分解能NMRは欠陥構造を解析できるほとんど唯一の手段であり、電池やガスセンサー、選択透過膜など環境・エネルギー分野に応用できる。   In a solid electrolyte, the structure of defects is directly related to the physical property of ionic conductivity, and is extremely important information for providing guidelines for material development and design. Solid-state high-resolution NMR is almost the only means that can analyze defect structures, and can be applied to the environment and energy fields such as batteries, gas sensors, and selectively permeable membranes.

31:試料、32:試料ホルダ、33:凸部、34:試料管、35:凹部、40:表面コイル、41:基板、42:貫通孔、43:孔、44:試料回転モジュール、45:ネジ。 31: Sample, 32: Sample holder, 33: Convex part, 34: Sample tube, 35: Concave part, 40: Surface coil, 41: Substrate, 42: Through hole, 43: Hole, 44: Sample rotation module, 45: Screw .

Claims (10)

円筒状の形状を有し試料を保持したロータを、静磁場内に配置され空気軸受を備えたステータ内に配置し、該ロータを静磁場に対し約54.7°すなわちマジック角傾斜した軸の周りに高速回転させつつ観測用高周波パルスを照射コイルから試料に照射して固体NMRスペクトルを取得する固体NMR装置であって、
前記ロータの一端部には試料を保持する試料保持体を取り外し可能に取り付ける係止機構が設けられると共に、
環状の前記照射コイルを保持した照射コイル保持体が、前記ロータの一端部に取り付けられた前記試料保持体に該照射コイルが前記軸を中心として対面するように前記ステータに取り外し可能に取り付けられるように構成されていることを特徴とする固体NMR装置。
A rotor having a cylindrical shape and holding a sample is placed in a stator that is placed in a static magnetic field and is provided with an air bearing, and the rotor has an axis inclined about 54.7 °, that is, a magic angle with respect to the static magnetic field. A solid-state NMR apparatus that obtains a solid-state NMR spectrum by irradiating a sample with an observation high-frequency pulse while rotating around at a high speed,
A locking mechanism for removably attaching a sample holder for holding a sample is provided at one end of the rotor,
An irradiation coil holder that holds the annular irradiation coil is removably attached to the stator so that the irradiation coil faces the center of the axis on the sample holder attached to one end of the rotor. A solid-state NMR apparatus comprising:
前記試料保持体は、円盤状でその円盤の表面に試料が取り付けられる又は円盤の内部空洞に試料が収容される試料保持部と、該円盤裏面の中心部に設けられる支柱部とからなり、該支柱部を介して前記係止機構により前記ロータの一端部に取り付けられることを特徴とする請求項1記載の固体NMR装置。   The sample holder comprises a sample holding part in which the sample is attached to the surface of the disk in the shape of a disk or the sample is accommodated in an internal cavity of the disk, and a support part provided at the center of the back surface of the disk, The solid-state NMR apparatus according to claim 1, wherein the solid-state NMR apparatus is attached to one end portion of the rotor by the locking mechanism via a support column. 前記照射コイルの直径は、前記円盤状試料保持部とほぼ同径であることを特徴とする請求項2記載の固体NMR装置。   The solid-state NMR apparatus according to claim 2, wherein the diameter of the irradiation coil is substantially the same as that of the disk-shaped sample holder. 前記円盤状試料保持部は、静磁場に対して約35.3°傾斜させた面上を高速回転することを特徴とする請求項2記載の固体NMR装置。   The solid-state NMR apparatus according to claim 2, wherein the disk-shaped sample holder rotates at a high speed on a surface inclined by about 35.3 ° with respect to a static magnetic field. 前記円盤状試料保持部表面には、薄膜試料が設けられていることを特徴とする請求項2記載の固体NMR装置。   The solid-state NMR apparatus according to claim 2, wherein a thin film sample is provided on the surface of the disk-shaped sample holder. 前記円盤状試料保持部の内部空洞に粉末状試料が装填されることを特徴とする請求項2記載の固体NMR装置。   The solid NMR apparatus according to claim 2, wherein a powder sample is loaded into an internal cavity of the disk sample holder. 前記照射コイル保持体は、前記照射コイルの中心部に相当する位置に開口を有することを特徴とする請求項1記載の固体NMR装置。   The solid-state NMR apparatus according to claim 1, wherein the irradiation coil holder has an opening at a position corresponding to a central portion of the irradiation coil. 請求項1記載の固体NMR装置に用いられる試料保持体であって、
該試料保持体は、円盤状でその円盤の表面に試料が取り付けられる又は円盤の内部空洞に試料が収容される試料保持部と、該円盤裏面の中心部に設けられる支柱部とからなり、該支柱部を介して前記係止機構により前記ロータの一端部に取り付けられることを特徴とする固体NMR装置用試料保持体。
A sample holder used in the solid-state NMR apparatus according to claim 1,
The sample holder comprises a sample holding part in which the sample is attached to the surface of the disk in a disk shape or the sample is accommodated in an internal cavity of the disk, and a support part provided at the center of the back surface of the disk, A sample holder for a solid-state NMR apparatus, wherein the sample holder is attached to one end of the rotor by a locking mechanism via a support column.
請求項1記載の固体NMR装置を用いて固体NMRスペクトルを測定する固体NMR測定方法。   A solid NMR measurement method for measuring a solid NMR spectrum using the solid NMR apparatus according to claim 1. 前記固体NMRスペクトル測定時に、試料保持体に保持された試料にレーザ光照射、マイクロ波照射、熱線、温風または冷風の照射、ワイヤレス給電コイルによる給電の少なくとも1つを行なうことを特徴とする請求項9記載の固体NMR測定方法。   At the time of the solid NMR spectrum measurement, at least one of laser beam irradiation, microwave irradiation, heat ray, hot or cold air irradiation, and power feeding by a wireless power feeding coil is performed on the sample held on the sample holder. Item 10. The solid NMR measurement method according to Item 9.
JP2010166232A 2010-07-23 2010-07-23 Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method Active JP5416052B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010166232A JP5416052B2 (en) 2010-07-23 2010-07-23 Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010166232A JP5416052B2 (en) 2010-07-23 2010-07-23 Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012026886A JP2012026886A (en) 2012-02-09
JP5416052B2 true JP5416052B2 (en) 2014-02-12

Family

ID=45779981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010166232A Active JP5416052B2 (en) 2010-07-23 2010-07-23 Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5416052B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016207998B3 (en) 2016-05-10 2017-09-21 Bruker Biospin Gmbh MAS stator of an NMR probe head with optimized microwave radiation
CN112945735B (en) * 2021-04-12 2024-03-01 昆明理工大学 Layering triaxial experimental tailing material sample loading device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0545968Y2 (en) * 1985-11-06 1993-11-30

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012026886A (en) 2012-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9063060B2 (en) Solid-state NMR spectrometer, sample holder therefor, and method of solid-state NMR spectroscopy
Pike et al. A spectrometer designed for 6.7 and 14.1 T DNP-enhanced solid-state MAS NMR using quasi-optical microwave transmission
EP1330182B1 (en) Device and method for producing a hyperpolarised nmr sample
CN106405457B (en) A kind of device and method detected for material ferromagnetism and magnetization property
US20230400534A1 (en) Sensor using a field gradient in a given volume
JP2008545148A (en) High resolution NMR spectroscopy and / or imaging apparatus and method using improved fill factor and RF field amplitude.
AU2002214039A1 (en) Methods and devices for polarised NMR samples
Lord et al. Design and commissioning of a high magnetic field muon spin relaxation spectrometer at the ISIS pulsed neutron and muon source
JP3962385B2 (en) Immunoassay device and immunoassay method
Eichhorn et al. An apparatus for pulsed ESR and DNP experiments using optically excited triplet states down to liquid helium temperatures
Na Measurement of electrical properties of small particles using a microwave Hall effect (MHE) technique
JP5416052B2 (en) Solid-state NMR apparatus, sample holder for solid-state NMR apparatus, and solid-state NMR measurement method
Liu et al. Pulsed-field nuclear magnetic resonance: Status and prospects
JP5481643B2 (en) Electromagnetic horn type electron spin resonance device (1)
US20210181275A1 (en) Systems, spherical rotors, stators, and methods of use
US8823373B2 (en) Dual-resonance structure and method for examining samples using a plurality of conductive strips
Hamaker et al. SIPT-An ultrasensitive mass spectrometer for rare isotopes
Chen et al. Recent advancements of wide-angle polarization analysis with 3He neutron spin filters
El Hallak et al. Torque detected broad band electron spin resonance
Meier et al. Table-top nuclear magnetic resonance system for high-pressure studies with in situ laser heating
Couet et al. A compact UHV deposition system for in situ study of ultrathin films via hard x-ray scattering and spectroscopy
US6791326B2 (en) NMR detector for supported monolayer and multilayer films
Matsuki et al. Advances in high-field DNP methods
Inukai et al. Nondestructive high-resolution solid-state NMR of rotating thin films at the magic-angle
Cook et al. Gas phase EPR of vibrationally excited O2

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20111110

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130402

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20130402

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131030

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131112

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131114

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5416052

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250